李晓东
冀中能源邯郸洗选厂 河北邯郸 056001
摘要：现有栏木机采用市电驱动，通过电缆拖曳伸缩方式实现栏木机的开启和闭合。对于宽道口多实用两栏木机相对运行，并通过遥控器进行操控的方式。目前这种方式存在最大的问题是伸缩过程中电缆由于风吹日晒老化易造成电缆扭结、短路等事故。同时由于道口栏木机等由于位置偏远，市电引用较为困难成本高。对于道路较宽的路口由于需要双栏木机对接来实现，这个过程中涉及到栏木机电源需要过路敷设，成本高，线路故障后维修困难。部分厂家为解决电源问题设计采用了栏木机回撤碰撞式充电，运转过程推送靠电瓶维系电源，这样做的优点是解决了电源拖曳过程中的故障，从实际运行过程中，回碰充电方式可靠性并未得到解决，运转过程中由于控制故障，无法通过遥控器强行停车这一技术难题。存在一定的安全隐患。本设计太阳能栏木机的设计是为了解决电缆拖曳造成的事故高，以及回碰充电可靠性差的痛点而设计，针对控制系统出现故障后无法实现通过切断电源强行停止设备运转的隐患，设计了控制系统双保险设计控制保护双设计，针对接触器可能发生粘连造成停车失控事故可以通过遥控方式直接操作断路器进行切断双保险，同时设计后续边缘易损装置作为最后失控降低损失的保险，实现高可靠性，高经济性。
关键词：太阳能 栏木机 碰撞充电 边缘易损防护 障碍物检测
0 引 言
栏木机现设计多采用拖曳式电缆、固定电机齿条传动、杆式三种主要方式。（1）拖曳电缆的方式可以设计的栏木机较大，栏木机可折叠，节省空间，在学校，厂门口，火车道口得到广泛应用。优点是此项应用技术遥控设计，障碍物检测等都比较完善，可以应用范围宽，可以根据路口宽度进行定制，设计上无大的缺陷，安全系数较高。缺点运行过程中的主要存在问题是，拖曳电缆由于长期活动过程中容易损坏，故障率高。线芯损坏后检查较为困难。针对超宽路面由于需要对接式双车设计，所引市电需要破路面进行敷设成本高。部分设计单位为了解决行驶过程中拖曳电缆损坏方式采用电瓶供电，回碰式充电却没有解决掉充电可靠性，和运转过程中由于接触器粘连造成无法停车等相关技术问题，实际应用不多。（2）固定电机齿条传动，这种传动方式优点是可靠性高，在保证施工精度的情况下可靠性得到保障，由于无拖曳式电缆电气故障率低。缺点是适应范围窄，施工精度要求高，机械部件多保养多。由于齿条传动设计长度受限，实用空间受限。（3）电动杆式，优点是无拖曳电缆，电机可直接传动效率高，可靠性高。缺点是杆的长度受限，适用范围窄，缺少检测装置，如需双杆配合使用时需人工一侧一侧落下，效率低。
从上适用范围分析传统的杆式有其特定的适用环境，部分场合具有不可替代性同时更换太阳能方式供电并不适合。本文主要研究替代拖曳式栏木机和齿条传动栏木机
1 传统栏木机缺点分析
拖曳式栏木机
（1）拖曳式电缆故障率高。
由于电缆拖曳过程中反复拉伸，电缆如柔韧性不足会造成电缆外皮损坏，甚至造成内芯损伤影响使用。电缆及行走机构由于处于室外长期风吹日晒下老化速度快，增加电缆故障率，和维护量。
（2）施工成本高。
由于需要引用市电，在火车道口等需要远距离引电，成本高，当道口较长，需要双向敷设时涉及电缆过路面会进一步增加施工成本。
（3）安全性较差。现栏木机为了方便均采用遥控设计，控制器分为集中控制和分布式控制。当控制器出现故障或障碍物检测装置故障无法正常停车时，缺少终端保护功能，无针对碰撞后减轻损失的设计也无针对性冗余设计。只能靠操控人员紧急返回拉闸方式解除电源。
齿条传动式栏木机
（1）保养成本高。
齿条传动需要定期保养润滑，由于使用环境恶劣，保养周期较短，维护量高
（2）操控性差
有齿条传动的特定方式，无障碍物检测装置，行进过程中需要人员观看着进行操作只能同时操作一两台效率低。
2 太阳能栏木机研究
针对传统栏木机缺陷，设计新型太阳能栏木机。解决传统栏木机由于电源问题造成的施工困难，可靠性降低问题。针对传统栏木机缺失的终端保护功能，在这里进行增补设计，进一步增加安全系数。
2.1结构设计
新型太阳能栏木机需要解决原有栏木机的缺点和设计缺失，因此需要进行总体结构设计研究。车头装有电动机传动机构及储能电池单元，用于动力系统，车头前部由障碍物检测及控制系统用于检测过往行人及车辆，检测到后自动暂停，车头定位装置，在车辆行驶至设定位置后自动停止，防止出现开过。车辆运转过程采用遥控方式进行控制，可实现单车、多车同时控制和分布式控制。车头最前部采用了边缘易损保护装置用于遥控失效后的保护工作，确保控制失效状态下易于损坏并且自动切断电源供应确保事故的不能进一步扩大化。
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栏木机流程简图
2.2电源再设计
跟对拖曳式电缆带来的故障率增加的缺陷，在本设计中直接越过传统供电方式采用太阳能电池配合磷酸铁锂电池供电，这样供电方式只解决掉了因电机供电必须的电缆拖曳方式。磷酸铁锂电池可靠性高，耐高温更适合户外使用，针对冬季温度低造成的容量下降通过低温自控温方式确保冬季电量衰减少可正常使用，同时磷酸铁锂电池相对传统铅酸电池体积小耐电流冲击强可实现一定的节能效果，配合适当的冗余正常使用寿命可超过十五年，实现了电源与动力装置一体化需求。同时现有太阳能电池板的寿命可以达到25年以上，完全做到了电源超越机身寿命实现电源终身免更换、免维护。
2.2 电气控制设计
2.2.1车头定位设计。
由于车头与动力一体化设计车头需要进行定位设计达到前或后预定位置后自动停止。同时车头具有自动调节前进方向的能力，在行进过程中出现偏差后根据根据底部传感器自动检测偏离位置进行纠偏，实现延预定路线无轨道运行。
2.2.2障碍物检测设计。
车辆在行驶过程中由于不可避免的出现人员或者车辆强行通过路口的现象，人员遥控方式只能针对单一栏木机进行操控，当由于路口宽和双侧控制时单靠遥控器很难兼顾这时障碍物检测必不可少，车头安装距离检测功能当检测到物体接近半米距离后自动停止运行，等待障碍物移位后再自行向目标位置移动。针对长距离需要双栏木机相对运行的工作方式，为避免因为栏木机自身造成障碍物检测误判，相对行驶的车头障碍物检测位置采用偏向式安装，确保确保对向运行不能互相检测到。保证障碍物检测既可靠运转，又不能因对向行驶的车头造成误判。
2.2.3保护线路设计
（1）车头电源一体化设计后，遥控器成为切断电源与动力之间联系的唯一方式，此时如果出现接触器粘连故障则无法通过远程控制方式进行有效切除，同时由于一体化设计无法通过切除电源的方式进行切除（为保护电源安全相关保护全部采用封闭设计保证防水防尘需求）针对此情况采用选择具有远控功能的空气开关，当操控接触器断路无效后改用操控空气开关进行停止的方式进行停止设备运转。
（2）针对车头电源一体化特点，增加熔断装置与空气开关进行双重短路保护，保护设备安全的同时为设备安全运转提供保障，熔断装置与短路接触器相配合作为紧急状态下切断电源的最后安全屏障。当断路器与接触器同时操作室失效时，可以通过操作冗余短路接触器（此接触器接通后会造成线路短路进而直接造成熔断器熔断固本处称短路接触器）。
（3）线路过充保护增加过冲保护、低压警报功能，设计中电池板发电量能够满足正常使用三天使用强度，储能电池可满足一周使用强度，当出现连续阴雨天等极端天气情况，会自动提醒操作人员电量偏低需进行临时充电补充缺失电能。当连续晴天保护电路会自动起作用，在电池电量低于80%前暂停使用太阳能发电进行充电确保锂电池的寿命。
2.3 易损保护装置设计
针对车头行动过程中可能的障碍物检测失灵故障、电源切断不及时造成碰车或者伤人事故设计车头易损装置。本装置前端最外层采用软材质做成，可做到对被碰物体或者人的保护作用，内衬石墨导电体易碎在碰撞过程中可导致石墨断裂从而切断电源，保护车辆或者行人安全。并针对石墨控制控制线路的特点设计了极端短路保护功能，在控制线路切断后如果无法停止车辆（触器粘连故障则无法通过远程控制方式），易损装置内部设计偏转控制电路设计，其碰撞偏转后可是短路接触器吸合，从而切断主电源回路保护人员和车辆安全，避免事故扩大化。
2.4 安装及使用注意事项
(1)在安装车头行进定位传感器过程中需要确保安装牢固，并且保证水平度和直线度，防止车头运行过程中因传感器偏差造成无法检测到传感器无法纠偏引发严重后果；
(2)太阳能电池板安装需注意适度倾斜，保证受光面积良好的同时又不影响车辆前行，太阳能电池板与车辆安装部位既要牢靠又要保持适度弹性，确保震荡过程中不引起电池板震裂等损伤。使用过程中需要定期清洗太阳能电池板，确保发电效率，在电池板受到鸟屎等侵害后需及时清洗，避免因污染造成电池板寿命下降，影响发电效率；
(3)易损装置安装过程需安装精确，保持柔软部位与石墨部位距离适度，使正常振动下和风力下不因轻度变性造成石墨体损坏，偏转控制电路传感器需两侧安装，保证不同方向的碰撞都可以确保可以起到保护作用。；
(4)由于设备采用低压工作保证了人员安全性，但是由于低压大功率导致工作电流较大，需要进行定期接触器触点检查，防止出现因接触器触点过量损耗造成的异常事故如缺相、粘连等；
3 结束语
太阳能电池利用地点越来越多，随着效率的提升，可以进一步扩展应用范围。在本文中用于设计栏木机，可以取代拖曳电缆和链条，实现高效可靠性。同时针对目前需要行走的装备均可借鉴，但是由于太阳能发电效率和储能电池的发展还处于比较低级阶段，目前仅能适用于功率较小的设备，对于大功率设备还无能为力。但随着效率低进一步提升，必然带来发展规模的快速发展。可利用方向如电动汽车、热水系统等，实现低碳环保的目标。
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个人简介：李晓东：（1980-） ，男，籍贯：河北沧州，学历：本科。